Prosiding PertenUian dun Presentasi l/miah 104 PPNY …ansn.bapeten.go.id/files/43101/0749.pdf · irradiated at TRIGAMARK II-PPTN reactor's irradiation facility at 800 kW power level.

56

104 B/lkllllProsiding PertenUian dun Presentasi l/miah

PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995

PENGARUH RADIASI NEUTRON CEPAT TERHADAP SIFAT

FISIK DAN MEKANIK POLIMER HDPE, LDPE DAN PS

Iiipto S.;...B.Edy S...Tunjul}~ I.y., SUI>lIrjonoM.,Bambang S., Prayitno., Agus H.I., Budiono S.,Tumpal r., FutJchan., dan Wagryo H:W.Program StudyRekayasa Nuklir,Jurusan TeknikMaterialNuklir.FakultasPasco Sarjana Institut TeknologiBariaung.

ABSTRAK

PENGARUH RADJASI NEUTRON CEPAT TERHADAPSIFAT FISIK DAN MEKANIK POLlMER

HDPE, LDPE DAN PS. Telah 'dilakukan penelitian tentang pengaruh radiasi neutron cepat terhadapsifatfisik don mekanikpolimer HDPE (High Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene)don PS (Polystyrene). Pengamatan perubahan sifat fisik don mekanik tersebut diamati dengan coramengamati perubahan tilik leleh, temperatur dekomposisi, derajat kristalinilas maupun kekuatan tarile.Masing-masing diamati dengan menggunakan alai DTA (Differential Thermal Analyzer), XRD(Diffraktometer sinor-X) don Alat Uji Tarik Dalampenelitian ini in adiasidilakukan difasititas irradiasireaktor TRIGAMARKII -PPTNpada daya800kJV.Hasilyang diperolehmenunjukkan,untukHDPEtilik cair mencapai harga terendah (119°C)padafluence 1,2 x 1017nlcm2,derajat kristalinilas terendah(11,39 %) padafluence 2,7 x 1017nlcm2,kekuatan tarik maksimum (2,8 Po) pada fluence 1,2 x 1017nlcm2. Untuk LDPE derajat kristalinitas terendah (7,12 %)pada fluence 2,4 x 1017nlcm2, kekuatan tarikmaksimum (2,8 Po) pada fluence 2,4 x 1017nlcm2.Sedangkan PS titik cair tidak teramati dengan DTA,hanya terjadi perubahan komponen amorfpada berbagaifluence (derajat kristalinilas 0 %), kekuatantarik minimum (1,46 Po) padajluence 2:4 x 1017nlcm2.

ABSTRACT.

EFFECT OF FAST NEUTRON RADIATION ON PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIESOF HDPE, LDPE AND PS POLYMERS. Experiment on the ejfectfast neutron radiation of onphysicaland mechanical properties of HDPE (HighDensity Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene) andPS (Polystyrene) has been done. The effect onphysical and mechanical properties was investigated bymeasuring the melting point using DTA, the degree of crystalinity using XRD and the tensile strengthusing Tensile Testing Machine of those polymers before and after irradiation. The samples wereirradiated at TRIGAMARK II-PPTN reactor's irradiationfacility at 800 kW power level. From theresults, for HDPE the minimum meltingpoint was 119°C affluence 1.2 x 1017n/cm2, the minimumdegree of crystalinity was 11.39 % atfluence 2.4 x 1017nlcm2, maximum tensile strength was 2.8 Pa, at

jluence 1.2 x 1017n1cm2.For LDPE the minimum degree o/crystalinitywas 7.12 % at 2.4 x 1017jluence,maximum tensile strength was 2.8 Pa at 2.4 x 1017nlCIIIjluen~e. In the case of PS the melting pointcouldn'tbe obtainedusing DTA,no changeofthedegreeofcrystalinityobtained(smallchangeonamorfcomponent observed), minimum tensile strength was 1.46 Pa at 2.4 x 1017jluence.

[-[-[-1

Polietilen dapat digolongkan menjadi tiga jenis,yaitu polietilen bermassa jenis rendah (LDPE)dengan massajenis 0,910 - 0,926 g/cmJ, polietilenbermassa jenis medium (MDPE) dengan massajenis 0,926 -0,940 g/cmJ, polietilen bermassajenistinggi (HDPE) dengan massa jenis 0,941 - 0,965g/cmJ. Penggunaan polistiren dan polietelendilingkungan radiasi, antara lain sebagai bahanisolator kabel dan wadah sampel untuk iradiasi.

Polistiren adalah suatu polimer yangstrukturnya dapat digambarkan sebagai berikut :

PENDAHULUAN.

Polimer adalah suatu rantai panjang hidrokarbonyang tersusun daTi monomer-monomer,

biasanya panjang satu rantai polimer terdiri dariantara 10J sampai 105 monomer. Struktur rantaipolietilen dapat digambarkan sebagai berikut :

Tjipto S.dkk ISSN 0216-3128

Prosiding Perlenutan dan Presenlasi IImiahPPNY-BATAN Yogyakar/a 25-27 April 1995 B/lkll II 105

J

I Ic c....

I, IH 0

Interaksi neutron dengan polimer dapatmenghasilkan perubahan sifat polimer sebagaiakibat dari, antara lain, terpotongnya ikatan rantaiutama (degradasi) clan terbentuknya ikatan silangantara molekul-molekul polimer yang satu denganyang lain (cross /inking). Kedua reaksi di atassangat dominan dalam merubah sifat polimer.Selain itu efek radiasi terhadap polimer dapatmenghasilkan gas hidrogen, pengurangan ikatantakjenuh yang sudah actaclanmenghasilkan ikatan takjenuh barn. Polimer dapat digolongkan menjadidua kelompok sesuai dengan kelakuannya pactasaat diradiasi, yaitu kelompok yang 'secaradominan terjadi ikatan silang clankelompok yangsecara dominan terjadi pemutusan ikatan(degradasi). Umumnya kedua peristiwa tersebutterjadi bersama-sama, perbandingannya sangatdipengaruhi oleh temperatur, kristalinitas clanudara (oksigen). Jika di dalam polimer yangdominan pemutusan ikatan (degradasi) makaketangguhan clanplastisitas polimer akan menuruntajam, jika yang dominan peristiwa ikatan silang(cross linking) maka ketangguhan polimer akannaik [1].

Iradiasi polimer dilakukan di fasilitasiradiasi reaktor TRIGAMARK-PPTN. Waktuiradiasi yang dilakukan berturut-turut 9 jam, 18jam, clan72 jam. Pemilihan waktu irradiasi denganrentang yang panjang dimaksudkan agarkecenderungan perubahan sifat mekanik clansifatfisik dapat teramati dengan jelas. Fluence neutroncepat untuk waktu irradiasi tersebut, diperoleh daridata fluks neutron cepat pacta fasilitas iradiasisampel.

Kekuatan mekanik polimer dianalisisdengan metode uji tarik, dengan metode iIii akandiketahui elastisitas clan kekuatan tarik polimer.Untuk menjelaskan mekanisme perubahan sifatmekanik yang terjadi (ikatan silang/degradasi)dilakukan pengukuran derajat kristalinitas clantemperatur cair polimer.

Penelitian ini dilakukan untuk mengetahuiperubahan sifat mekanik clanfisik polimer HDPE,LDPE clanPolistiren akibat irradiasi neutron cepat.

TATAKERJA

METODA PENELITIAN.

Dalam penelitian ini digunakan dua jenispolimer sintesis yaitu PS clanPE yang terdiri dadHDPE clanLDPE. PS yang digunakan jenis S II :1445-85, HDPE jenis Daelim Poly TR144-110041R sedangkan:LDPE jenis CosmotheneG 812 EAB 460.

Sampel polimer terse but diatas dalambentuk butiran, selanjutnya dicetak dalam bentuklempengan empat persegi panjang dalam bentukspesimen uji tarik dengan alat Tinius Olsen.Pencetakan spesimen dilakukan di laboratoriummetalurgi fisik jurusan mesin ITB. Ukuranspesimen dapat dilihat dalam gambar 1.

Lo

.-- D +

j' ./1!~i; >- ~Wc :

~[f

Wo = 9mm,Lo = 62mm,G = 18mmWe = 3mm, D = 26mm

Gambar 1. Skema spesimen llji tarik, tebal2mm.

Spesimen uji tarik dibagi menjadi duabagian yaitu bagian pertama untuk pengukuran sifatfisik clanmekanik sebelum irradiasi sedang bagiankedua untuk pengukuran sesudah irradiasi denganneutron cepat. Secara skematis dapat dilihat pactagambar 2.

Gambar 2. Skema llrlltan proses percobaan

ISSN 0216-3128 Tjipto S. dkk

106 Bllku 11Prosiding PerlenUian dun Preselllas; llmiahPPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995

Identifikasi Sarnpel Polirner

Identifikasi sampel polimer dilakukaJ.1untukmengetahui perubahan sifat fisik maupun mekaniksebelum clan sesudah perJakuan irradiasi neutron.Identifikasi polimer meliputi pengukuran sifat fisikclan mekanik yang berupa kekuatan tarik,kekerasan, derajad kristalitas, titik leleh clantemperatur dekomposisi.

Ujikekuatan tarik

Peralatan yang digunakan adalah alai ujikekuatan tarik "Tensile Testing Machine" MerkShimadsu milik PPKTR BATAN SERPONG.Lebar clanpotongan uji diukur dengan mikrometer,selanjutnya potongan uji dijepitkan' pactapenjepitmesin uji tarik. Beban yang terekam dalam kertasberupa kurva, kekuatan uji tarik maksimumdilakukan pactasaat potongan uji putus.

Penentuan titik leleh daDtemperaturdekomposisi.

Titik leleh ditentukan dengan menggunakanseperangkat alai DTA merk Setaram TA 624 yangterdiri dari komputer lengkap dengan monitor clanprinter, tempat spesimen clan alai pendukunglainnya. Pengukuran titik leleh dilakukan dilaboratorium balai tekno kimia PPSM BATANSerpong. Sampel polimer yang telah dipotongkecil-kecil dimasukkan kedalam wadah,selanjutnya dimasukkan kedalam tungku, kondisialai diatur melalui monitor komputer. Setelah siapdilanjutkan pengoperasian sesuai dengan instruksiyang acta dalam monitor komputer. Hasil yangdiperoleh berupa kurva saluran heat flow terhadaptemperatur titik leleh clan temperatur dekomposisilangsung dapat diketahui.

Penentuan derajat kristalinitas.

Derajad kristalitas dapat ditentukan denganmenggunakan peralatan difraktometer sinarX merkSHlMADSU model XD - 130 di balai tekno fisika

PPSM BATAN Serpong. Sampelpolimer dipotongsesuai dengan ukuran lubang temp at sampelselanjutnya dilekatkan dengan bantuan perekat.Kemudian tempat sampel/spesimen dimasukkankedalam tempatnya clan alai dihidupkan. HasiIyang terekam berupa difraktogram pacta kertasberskala. Sedangkan derajad kristalitas dapatditentukan melalui perhitungan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

HasiI Uji Tarik.

Dari hasil pa~a tabeI.1, pacta HDPEmula-mula dominan terjadi ikatan silang yangmencapai optimum setelah diiradiasi pactafluence1,2x 1017n/cm2.Pactafluenee lebih besar dari 1,2x1017n/cm2yang dominanreaksi degradasi,sehinggayang tampak dari grafik hasiI uji tarik (gambar-3)kekuatan tarik HDPE menurun. Hal ini terjadikarena rantai polimernya menjadi pendek clanikatan silangnya juga berkurang.

J ,.2.5

~ 2.Ii!

~1.5

~ '::!

0.5

00 10

t-""'_2)Gambar-%. Grafik Kokuatan Tarik

Gambar 3. Grajik Kekualan tarik

Tabel.1. Data Uji Tarik

Pacta LDPE mula-mula dominan terjadiikatan silang dalam jumlah yang besar Gauh lebihbesar dari HDPE) yang mencapai optimum setelahdiiradiasi pacta fluenee 2,4 x 1017n/em2. LDPE

Tjipto S. dkk ISSN 0216-3128

SAMPEL WAKTU FLUENCE tY tU tf .(JAl\1)(XIOI7 n/em') (Pa) (Pa) (pa) ('10)

HDPE 0 0 2,16 2,59 0,99 57,88

HDPE 9 1,2 2,26 2.80 2.43 1,13

HDPE 18 2,4 2,18 2,59 2,51 0,32

HDPE 72 9,6 2,06 2,33 2,00 1,93

LDPE 0 0 0,83 1,4 1,24 110,15

LDPE 9 1,2 1,84 2,21 1,90 5,55

LDPE 18 2,4 1,99 2,80 2,32 2.90

LDPE 72 9,6 2,31 2,31 2,14 2,42

PS 0 0 2,42 2,58 2,33 0.16

PS 9 1,2 2,51 2,53 2,46 0,32

PS 18 2,4 1.16 1,46 1,46 0,02

PS 72 9,6 1,61 1,61 1,61 0,02

Prosicling Per(enUian clan Presen(asi IlmialrPPNY-BATAN Yogyakar(a 25-27 Apri/1995 Bukllll 107

setelah diiradiasi lebih besar dari 2,4 X 1017nlcm2dominan terjadi reaksi degradasi, sehingga dalamgrafik tampak kekuatan mekaniknya turun,Pert!lmbahan kenaikan jumlah ikatan silang LDPElebih besar dari HDPE pactasaat diiradiasi sampaidengan fluence lebih kecil dari 1,2 x 1017nlcm2, Hal

ini dapat dipahami karena kemungkinan HDPE itusudah jenuh dengan ikatan silang, dibandingkanLDPE.

to

00 10

""""'ex1O"""""'"G.mb.. 3. Deraj.1Krist.iinitas

Gambar4. Derajat Kristalinitas

Sedangkan polistiren setelah diiradiasi,mula-mula dominan terjadi reaksi degradasi, initerjadi sampai fluence 2,4 x 1017nlcm2, dari gambar3 tampak kekuatan mekaniknya turun. Setelah

Tabel.2. Data Derajat Kristalinitas

diiradiasi dengan fluence lebih besar dari 2,4 x 1017n/cm2, reaksi yang dominan reaksi ikatan silang,tampak dari grafik 3 kekuatannya naik.

HasH Pengukuran Derajat Kristalinitas.

Hasil pengukuran derajat kristalinitas dapatdilihat pactatabel 2 clangrafiknya pactagambar 4.

HDPE clanLDPE setelah diiradiasi, derajatkristalinitasnya turun yang mencapai hargaminimum pada fluence 2,4 x 1017nlcm2. Hal iniberarti bahwa iradiasi pacta HDPE clan LDPEmengakibatkan penurunan keteraturan rantai-rantaipolimernya. Setelah diiradiasi lebih besar 2,4 x 1017nlcm2derajat kristalinitasnya naik kembali, hal iniberarti bahwa setelah diiradiasi lebih besar dari 2,4x 1017nlcm2keteraturanrantaipolimernaiklagi.

Pacta polistiren tidak memiliki komponenkristalin (hanya memiliki komponen amort).Setelah diiradiasi komponen amorfnya semakinmenurun seperti terlihat pactagambar-4, sedangkankristalin tidak terbentuk. Hal ini dapat dijelaskan,karena radiasi menyebabkan reaksi degradasi pactaPS sehingga susunan rantai-rantai polimernyamenjadi semakin acak.Hasil Pengukuran Temperatur Cair clan

Tabel.3. Data TemperaturDekomposisi

Cair daD

Temperatur Dekomposisi.

. Hasil pengukurannya dapat dilihat pactatabel 3, clan grafik temperatur cair pacta gambar 4,pacta HDPE iradiasi sampai 9,6 x 1017nlcm2 tidak

ISSN 0216-3128 Tjipto S. dkk

SAMPEl WAKTU FLUENCE %KRISTALINITAS

(JAM) (XIOI7 n/cm2)

HDPE 0 0 53,54

HDPE 9 1,2 19,82

HDPE 18 2,4 11,39

HDPE 72 9,6 52,56

LDPE 0 0 28,76

LDPE 9 1,2 14,40

LOPE 18 2,4 7,12

LDPE 72 9,6 43,43

PS 0 0 0

PS 9 1,2 0

PS 18 2,4 0

PS 72 9,6 0

. .

SAMPEL WAKTU FLUENCE Temperalur Temp.Dekornposisi

(JAM) (XIOI7nlorn') Ie) Ie)

HDPE 0 0 129 480

HDPE 9 1,2 119 471

HDPE 18 2,4 123 472

HDPE 72 9,6 126 472

LDPE 0 0 116 449

LDPE 9 1,2 121 468

LDPE 18 2,4 116 473

LDPE 72 9,6 66 449

PS 0 0 . 427

PS 9 1,2 - 425

PS 18 2,4 67 447

PS 72 9,6 - 420

JO8 Bllkll IIProsiding PertenuwlI dun Presentasi IlmiahPPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995

14".""'"i;," :,;JP.j:;~,',;;,:,12"

,. '"

~ 100

~ 80~

i:...20

00 10

""~,(""17nkm"1

Gambar"", Grafik Thik Calr .

Gambar5. Grafik Titik Cair

mengalami perubahan titik cair yang berarti.Hal inidapat dimungkinkan terjadi karena basil iradiasirelatif tidak menaikan energi ikat. Untuk LDPEiradiasi pada fluence 9,6 x 1017n/cm2menurunkantitik cair, hal ini dapat terjadi karena kemungkinanLDPE setelah diiradiasi membentuk ikatan rangkaptakjenuh.

Pada PS titik cair tidak teiamati, hal inikarena susunan antar rantai polimemya berbentukamorf.

KESIMPULAN

Dari data kekuatan mekanik clan derajatkristalinitas, pada HDPE clan LDPE dapat ditarikkesimpulan bahwa akibat radaisi neutron cepatreaksi yang terjadi adalah reaksi degradasi clanikatan silang yang besar perbandingannyatergantung pada fluence clandensitasrantaipolimer.Dari kisaran fluence iradiasi yang diamati terlihatbahwa kekuatan tarik clan derajat kristalinitasmemiliki harga maksimum Genuh), untuk HDPEclanLDPE berturut- turut 2,8 Pa clan53 %.

Sedangkan pada polistiren akibat radiasineutron cepat, yang dominan terjadi adalah reaksidegradasi, hal ini terlihat dari kekuatan tarik clankomponen amorf yang menurun. Hal ini teIjadikarena degradasi menjadikan susunan rantaipolimer menjadi bertambah acak.

Dari data titik cair HDPE tidak menunjukanadanya perubahan titik cair, karena degradasi clanikatan silang tidak mengubah energi ikat.

UCAP AN TERIMAKASIH

Pada kesempatan ini penulis sampaikan rasaterima kasih kepada yang terhormat :

1. Dr. RPH Ismuntoyo, sebagai doseDpembimbing clan pengajar untuk illata

kuliah Eksperimen Reaktor dan PengantarRekayasa Nuklir.

2. Bapak Drs Bambang Heru P., atas fasilitas. XRD yang diberikan.

3. Bapak Drs Agung Kencono dalampemakaian software pengolahandata.

. ,

4. Pimpinan, star clan teknisi PPTN BATANBandung, khusu.snyabidang Reaktor

5. Pimpinan, star clan teknisi LaboratoriumMetalurgi Fisik Jurusan Teknik Mesin ITB,atas segala bantuannya terutama dalampenyediaan sampel clan pembuatanspesimen uji tarik.

6. Pimpinan, stafdan teknisi PPTKR-BATANSerpong atas fasilitas uji tarik.

DAFTAR PUS TAKA

1. O'Donnel, J.H and SangsterD.F, "Principlesof Radiation Chemistry", Edward ArnoldLTD, London, 1970.

2. Herman, F.M dkk, "Encyclopedia ofPolym.Sci. and Engineering", John Willey & Sons,New York, vol. 6, 1986

3. Wai, M.P dkk, "J. Polymer", 1987,28,918.

4. Okubo, M., dkk, "J. Polym. Sci., Polym.Lett.Edn.", 1981,19,143

5. Johnsson, J.E dkk, "J.Macromolecules",1991,24no. 1,1Z6-131.

TANYAJAWAB

Hidayati

. I. Dari kesimpulan, bagaimana Saudara bisameyakinkan bahwa setelah diiradiasidegradasi dan bukan reaksi ikatan silang,sementara sampel tidak dianalisis secarakimia ?

2. Kalau dilihat daTihasil uji kuat tarikderajatkristalinitasnya (dari grafik), tidak adaperbaikan sifatnya. Padahal tujuansaudara mengirradiasi bahan polimeradalah untuk memperbaiki sifat-sifat fisikmaupun mekanik. Sampai sejauh manatujuan tersebut tercapai ?

Tjipto S. dkk ISSN 0216-3128

Prosiding Perfettuwn dun Presenfasi IlmiahPPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995 BlIklllI /09

Tunjung

I. Berdasarkan analisa yang dilakukan dugaanadanya deradasi dapat diwakili denganadanya analisa X-R clan polanya dapatdipelajari yaitu pola amorf clanfete kristal.Kepastian adanya reaksi ikatan silanganalisanya belum dilakukan, seharusnyadengan infra red. Penelitian berikut akandilakukan.

2. Gambar 2 clan 3 cukup menjawabpertanyaan ke 2. Polimer HDPE clan PSmemang tidak ada perbaikan sifat tetapiuntuk polimer LDPE ada perbaikan sifatfisiknya pada basil irradiasi 2,4 x 1017n/cm2walaupun derajat kristalinitasnya menurun.Atau hila digunakan basil irradiasi LDPEpada fluence 9,6x 1017c/cm2,kekuatan tarik2,8 PAdan V 42 %.

Damunir

Dari gambar saudara menerangkan adaikatan silang pada polimer. Apa heclaikatansilang,lurus clan ikatan cincin di dalam polimer yangsaudara gunakan. Mana yang kuatltahan terhadappengaruh radiasi ?

Tunjung

1. ikatan lurus (dipolietilen)

2. ikatan silang (gabungan)3. cine in biasanya di benzen (aromatis)y an g

tahan ikatan silang

Samin

I. Bagairnana cara rnengetahui derajatkristaUnitaspoUrner(preparasi poUrner) ?

2. Bagairnana cara rnengetahui strukturpoUrner,rnekanisrnedegradasipoUrner?

B. Tjipto Suyitno

1. Dengan difraksi sinar X (X, RD)2. Dengan XRD (untuk struktur kristalnya),

mekanisme degradasi polimer adalahdimulai dengan putusnya rantai secara acak,baik terjadi pada rantai sisi maupun rantaiutama.

Supartljo

Kenapa dengan kenaikan fluence,kekuatarnntariknya rnengalarnikenaikan dan turunsetelahfluence tertentu ?

B. Tjipto Suyitno

Dengan naiknya fluence maka kekuatantarik, itu naik tal ini disebabkan akibat n akanterjadi "cross Ungking" sehingga kekuatan naik.Tetapi hila cross Ungking telah jenuh, maka justrukenaikan fluence akan menyebabkan terjadinyadegradasi pada polimer, sehiongga kekuatanyyaturun.

Trimohadi

I. Apakah pernah dilakukan untuk pengaruhradiasi sinar cl, p, Y dengan berbagaitenagayang berlainan ?

2. Dengan adnya perubahan sifat poUrner inibagairnana kalau dilakukan lebih lanjutdengan sinar cl, p, y, sehingga adakernungkinan bisa dijadikan detektor(sernacarnTLD). Andaikata kerusakan atauperubahannyasesuaidengantingkattenagaradiasi ?

B. Tjipto Suyitno

I. Belum, untuk y memang sudah dilakukanoleh mahasiswa ITB, dengan variasi dosis5-100 KGy tapi inasih untuk tenaga tunggal,juga yang oleh Bp. Marga Utama. Tapikemungkinan di luar negeri sudahdilakukan.

2. Yang digunakan sebagai detektor memangsudah ada, sebagai detektor plastik untukzarah p, tetapi resolusinya sangatjelek.

Sllprapto

Tadi diterangkan bahwa note bookkornputer untuk batereinya dikernbangkan batereipoUrner:

I. Jenis apa yang dikernbangkan ?

2. bagairnanakeunggulan batereipoUrner ?

B. Tjipto Suyitno

1. Jenis PANl (poli anilin)

2. Fleksibel, tahan lama, mempunyai Tarattenaga yang tinggi .

ISSN 0216-3128 Tjipto S. dkk